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Capítulo 5
Diseño e Implementación
Para verificar el desempeño de nuestra implementación del método PRM, orientado a
solucionar problemas de planeación de rutas para un actor digital, se desarrolló la
aplicación que se describe a lo largo de este capítulo.
Esta aplicación utiliza el conjunto de clases descritas en capítulos anteriores, y para
su diseño se tomaron en consideración los requerimientos que se presentan a continuación.
5.1 Requerimientos
Uno de nuestros principales objetivos en esta tesis, es desarrollar una herramienta
que permita visualizar el ambiente en el que ha de desenvolverse un actor digital, generar
mapas de ese ambiente y solucionar problemas de planeación de rutas para el mismo.
De esta manera, se desea que mediante nuestra herramienta, el usuario pueda
visualizar los elementos que conforman el espacio de trabajo (actor digital y obstáculos), y
la información generada por el PRM (mapa y rutas). Con respecto al actor digital y los
obstáculos, ambos se especificarán en archivos bajo el formato Milkshape 3D y podrán
visualizarse en modo sólido, como una malla, o bien, segmentados en cajas (bounding
boxes). En el caso del actor digital, también es deseable poder visualizar su esqueleto. En
cuanto al mapa y las rutas generadas por el PRM, sus nodos y aristas se mostrarán en
pantalla como un conjunto de puntos y líneas respectivamente, agrupados de acuerdo al
componente del mapa al que pertenecen. También, se desea que la herramienta permita al
usuario reconstruir un mapa, o bien, mejorar su conectividad agregando más nodos al
mismo.
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Además, el usuario podrá interactuar con el ambiente mediante la manipulación de
una cámara que le permitirá acercar, alejar y rotar la escena, y navegar en el ambiente
virtual. Desde la herramienta, el usuario podrá realizar consultas sobre problemas de
planeación de rutas utilizando el formato definido por la clase Query descrita en el capítulo
4, o bien, generando una consulta mediante la selección de una serie de configuraciones en
el ambiente virtual. De esta manera, el usuario podrá visualizar el resultado de su consulta y
animar al actor digital a lo largo de una ruta.
Por último, para poder comparar los resultados obtenidos por el PRM bajo
diferentes parámetros de construcción, se desea que la herramienta permita almacenar y
cargar desde un archivo los diferentes elementos del espacio de trabajo, es decir, el actor
digital, los obstáculos, el mapa, y las rutas generadas.
5.2 Diseño de la Aplicación
Para el diseño de la aplicación se siguió el modelo espiral descrito en [33]. El
modelo espiral define un proceso iterativo que permite desarrollar de forma rápida,
versiones incrementales de software. En las primeras iteraciones se produce una versión
simple del sistema, misma que va desarrollándose en cada iteración hasta obtener un
sistema más complejo. Este modelo para el desarrollo de software inicia con el análisis de
requerimientos, lo que permite dividir el sistema en varios componentes. Posterior a esto,
se continúa con el diseño y la implementación de los componentes, a los que se realizan
pruebas por separado y finalmente se unen para formar un sistema más complejo, al que
también se realizan pruebas.
Siguiendo el modelo espiral y tomando en consideración los requerimientos
presentados anteriormente, se diseñó la herramienta que permite analizar el desempeño de
las clases desarrolladas a lo largo de esta tesis para solucionar el problema de planeación de
rutas. Los componentes de esta herramienta se muestran en la figura 5.1.
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Figura 5.1: Componentes de la herramienta PlannerGUI.
La clase principal en este diagrama es la clase PlannerGUI, que define la interfaz
que permite al usuario realizar consultas de planeación de rutas para el actor digital. Para la
implementación de la interfaz se utilizó la librería Swing de Java. La elección de esta
librería se debe a que proporciona un conjunto muy variado de componentes gráficos como
ventanas, menús, barras de herramientas, botones, entre otros, que son fácilmente
configurables y portables. El diagrama de la figura 5.1 muestran los principales
componentes del sistema, que de acuerdo a su función, clasificamos de la forma que se
describe a continuación.
Esclavos
Llamamos esclavos al conjunto de clases que realizan una tarea específica para la
interfaz de usuario. Estas clases se muestran en la figura 5.1 en color verde. Las clases
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esclavo son invocadas por la interfaz de usuario en respuesta a un evento generado por el
usuario. El resultado del trabajo de estas clases es utilizado por la interfaz de usuario para
dar respuesta a una solicitud del usuario. De esta manera, las clases esclavo trabajan única y
exclusivamente para la interfaz de usuario cuando ésta lo solicita.
Las tareas realizadas por los esclavos se caracterizan por ser muy demandantes en
cuanto al tiempo que requieren para llevarse a cabo, razón por la que se ejecutan en
segundo plano. Esto nos permite mantener una interfaz capaz de responder a las solicitudes
del usuario en todo momento, ya que cuando el usuario genera un evento, la interfaz delega
el trabajo al esclavo correspondiente y regresa de inmediato a esperar por otro evento. De
otra manera, si la interfaz de usuario se encargara de todo el trabajo, su capacidad de
respuesta se vería afectada de forma considerable.
Las clases esclavo son una extensión de la clase SwingWorker de la librería Swing.
SwingWorker es una clase abstracta diseñada para llevar a cabo tareas que requieren
demasiado tiempo para una interfaz de usuario en un thread dedicado. Para mayores
detalles sobre el uso de la librería Swing de Java, véase [34].
La función de las clases esclavo de nuestra aplicación es la siguiente:
WorkSpaceBuilder: Construye un ambiente de trabajo de acuerdo a los
parámetros especificados por el usuario. El espacio de trabajo incluye al actor
digital, los obstáculos, y el mapa generado por el método PRM.
WorkSpaceReader: Se encarga de leer y cargar desde un archivo un espacio de
trabajo previamente creado mediante la interfaz de usuario. Esta clase se
encarga de crear los modelos del espacio de trabajo (actor digital y obstáculos) y
de cargar el mapa y las rutas que se hayan generado.
WorkSpaceWriter: Se encarga de guardar en un archivo los elementos de un
espacio de trabajo. Esta clase almacena en el nombre de los archivos que se
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usaron para definir al actor digital y los obstáculos, así como el mapa y las rutas
generadas.
RoadmapBuilder: Construye un mapa del espacio de trabajo utilizando el
método PRM, de acuerdo a los parámetros de construcción definidos por el
usuario.
RoadmapExtender: Agrega configuraciones al mapa con el fin de mejorar su
conectividad. Esta clase es muy útil cuando el mapa generado es insuficiente
para responder a una consulta.
PathFinder: Se encarga de consultar el mapa generado por PRM en busca de
una ruta para una consulta determinada.
ProgressMonitorTak: Se encarga de monitorear el grado de avance de las tareas
realizadas por el resto de los esclavos, y su propósito es mostrar al usuario el
grado de avance de estas tareas.
Clases Auxiliares
Las clases auxiliares se muestran en la figura 5.1 en color amarillo. Estas clases
proporcionan servicios que son utilizados por la interfaz de usuario y por sus esclavos.
Renderer: Implementación del framework para graficar en 3D utilizando Java y
OpenGL descrito en el apéndice A.
WorkSpaceRenderer: Muestra en pantalla una vista en 3D de los elementos del
espacio de trabajo (actor digital, obstáculos, mapa y rutas). Además, esta clase se
encarga de animar al actor digital a lo largo de la ruta seleccionada.
WorkSpaceRenderer es una extensión de la clase Renderer.
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WorkSpace: Encapsula los elementos del espacio de trabajo. Esta clase almacena
referencias a los archivos que definen al actor digital y los obstáculos, además del
mapa y las rutas generadas por el método PRM para dicho espacio de trabajo. La
clase WorkSpace define métodos para leer y almacenar los elementos del espacio de
trabajo en un archivo. Estos métodos son utilizados por los esclavos
correspondientes.
Interfaz de Consulta
La función más importante de la interfaz de usuario es realizar consultas sobre
problemas de planeación de rutas para el actor digital, ya que a través de éstas podemos
comprobar que tan bien se desempeña nuestra implementación del método PRM en un
espacio de trabajo determinado.
Como se mencionó anteriormente, las consultas se representan mediante objetos de
la clase Query, que define el formato al que debe ajustarse una consulta válida. Un ejemplo
de consulta válido es path (0 0 0) (10 0 10). Este tipo de consultas pueden realizarse de
forma directa a través de la interfaz de usuario. Sin embargo, realizar este tipo de consultas
puede llegar a ser tedioso para el usuario, pues es necesario especificar las posiciones
exactas para el actor digital. Por esta razón, se diseñó una interfaz de consulta que permite
al usuario construir consultas válidas mediante la selección de una serie de posiciones con
la ayuda del mouse.
Las clases que conforman la interfaz de consulta se muestran en la figura 5.1 en
color azul. El diseño de estas clases se basa en el problema de comunicación entre procesos
conocido como bounded buffer problem descrito en [35]. En este problema, dos procesos,
el productor y el consumidor, se comunican entre sí a través de un buffer. El productor
genera objetos que deposita en el buffer y el consumidor los retira del mismo conforme se
van generando.
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En nuestra adaptación, el productor se encarga de determinar la posición
seleccionada por el usuario al presionar el botón izquierdo del mouse sobre una vista aérea
del espacio de trabajo. La posición seleccionada se almacena en el buffer, de donde es
retirada por el consumidor. El consumidor se encarga de construir una consulta válida
utilizando las posiciones que retira del buffer. Como se recordará, para que una consulta sea
válida, además de seguir el formato especificado en la clase Query, es necesario indicar al
menos dos posiciones entre las que habrá de buscarse una ruta. De esta manera, el
consumidor construye una consulta sólo cuando el usuario ha seleccionado al menos dos
posiciones.
Esta interfaz es de gran utilidad, pues permite al usuario construir consultas con un
número ilimitado de configuraciones intermedias entre las posiciones inicial y final. En este
punto es importante resaltar que al hablar de un número ilimitado de configuraciones
intermedias, nos referimos a que una consulta es válida si se especifican dos o más
posiciones. De esta manera, se puede especificar una consulta con 100 posiciones y ésta
seguirá siendo válida. Sin embargo, para fines prácticos es suficiente con especificar
consultas con pocas posiciones intermedias.
Las clases que conforman la interfaz de consulta son las siguientes:
ConfigProducer: Determinar las posiciones seleccionada por el usuario y las
agrega al buffer.
ConfigConsumer: Toma las posiciones almacenadas en el buffer y construye
una consulta válida a partir de ellas.
Buffer: Interfaz que define los métodos para insertar y remover elementos de un
buffer.
BoundedBuffer: Implementación de capacidad limitada de la interfaz buffer.
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5.3 Implementación de la Aplicación
Utilizando el conjunto de clases hasta aquí descritas, se implementó la aplicación de
esta tesis que se muestra en la figura 5.2.
Figura 5.2: Interfaz de usuario.
Esta aplicación se divide en 4 áreas principales: barra de menús, panel de
visualización 3D, panel de consulta y panel generador de configuraciones, cuya función se
describe a continuación.
Barra de menús
La barra de menús agrupa el conjunto de acciones que el usuario puede realizar
desde la aplicación de acuerdo a su tipo. Esta barra consta de los siguientes menús.
Menú File: Este menú es el punto de partida de nuestra aplicación, pues agrupa las
opciones para crear, leer desde un archivo, y guardar un espacio de trabajo, además de la
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opción para salir de la aplicación. La figura 5.3 muestra las opciones de este menú, y su
descripción es la siguiente.
Figura 5.3: Opciones del menú File.
New Work Space: Esta opción crea un espacio de trabajo utilizando los parámetros y
archivos especificados por el usuario.
Open Work Space: Esta opción permite al usuario leer un archivo que contiene un
espacio de trabajo previamente creado. Los archivos que utiliza tienen la extensión
*.wsp, y son archivos binarios en los que se almacena una versión serializada de los
archivos que definen al actor digital y los obstáculos, además del mapa y las rutas
generadas por el método PRM.
Save Work Space: Esta opción permite al usuario guardar en un archivo una
descripción del espacio de trabajo actual, que posteriormente puede ser utilizada
para su reconstrucción. Es de gran utilidad para comparar el desempeño del método
PRM bajo diferentes parámetros de construcción, ya que almacena el mapa y las
rutas generadas.
Exit: Permite al usuario salir de la aplicación.
Menú View: En este menú se agrupan las opciones para mostrar u ocultar algún elemento
del espacio de trabajo. Las opciones de este menú se muestran en la figura 5.4, y su
descripción es la siguiente.
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Figura 5.4: Opciones del menú View.
Axes: Muestra u oculta los ejes del espacio de trabajo.
Bounding Boxes: Muestra u oculta los obstáculos segmentados en cajas. Esta
representación es la que se utiliza para la detección de colisiones en el método
PRM.
Digital Actor: Este submenú contiene las opciones para visualizar al actor digital en
modo sólido o como una malla de alambre, además de su esqueleto. La imagen de
este submenú se muestra en la figura 5.5.
Figura 5.5: Opciones del submenú Digital Actor.
Obstacles: Este submenú muestra las opciones para visualizar los obstáculos del
espacio de trabajo en modo sólido o como una malla de alambre, además de la
opción para ocultarlos. La imagen de este submenú se muestra en la figura 5.6.
Figura 5.6: Opciones del submenú Obstacles.
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Path: Muestra u oculta la ruta generada por el método PRM.
Roadmap: Muestra u oculta el mapa generado por el método PRM.
Camera: Permite al usuario ajustar la velocidad de la cámara para navegar en el
ambiente virtual.
Menú Roadmap: Este menú agrupa las opciones de reconstrucción, extensión y
estadísticas del mapa utilizado para la planeación de rutas. Sus opciones se muestran en la
figura 5.7.
Figura 5.7: Opciones del menú Roadmap.
Rebuild: Reconstruye el mapa de acuerdo a los parámetros de construcción
especificados por el usuario.
Extend: Mejora la conectividad del mapa agregando más configuraciones, siguiendo
la estrategia de conexión seleccionada por el usuario. Esta opción permite combinar
las dos estrategias de conexión entre nodos utilizadas por nuestra implementación
del método PRM.
Change Obstacles File: Este opción permite al usuario cambia el archivo que define
los obstáculos, y es útil cuando se tiene representaciones de los mismos obstáculos
de diferente resolución, por ejemplo, el número de triángulos, la apariencia, entre
otros.
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Statistics: Esta opción muestra al usuario las estadísticas generadas durante la
construcción del mapa, tales como el número de nodos, aristas y componentes en el
mapa, número total de configuraciones generadas, y el número de configuraciones
que satisfacen la condición de ser libres de colisión. También se muestra el tiempo
que llevó la construcción del mapa, el tiempo dedicado a la detección de colisiones,
el tiempo dedicado a la última consulta y el tiempo promedio dedicado a todas las
consultas realizadas en el mapa. La figura 5.8 muestra un ejemplo de las estadísticas
de un mapa. Esta opción es de gran utilidad para el usuario, pues del número de
componentes se puede deducir si el mapa generado podrá responder a cualquier
consulta.
Figura 5.8: Estadísticas del mapa.
Menú About: Este menú muestra información sobre el título de la tesis, así como la
versión de la aplicación y los datos del autor. La figura 5.9 muestra la información
desplegada por este menú.
Figura 5.9: Menú About.
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Panel de Visualización 3D
El panel de visualización 3D muestra una vista global del espacio de trabajo. En
este panel se muestra al actor digital, los obstáculos, el mapa y las rutas generadas por el
método PRM. Este panel permite al usuario interactuar con el ambiente virtual mediante la
manipulación de la cámara a través del teclado y el mouse. Las acciones de la cámara de
describen en el apéndice A. Algunas imágenes de este panel se muestran en la figura 5.10.
Figura 5.10: Panel de visualización 3D.
Panel del Consulta
El panel de consulta permite al usuario interrogar al mapa sobre la existencia de una
ruta para el actor digital. Este panel se divide en tres partes: el editor de texto, la librería de
rutas encontradas y los controles de animación del actor digital. La figura 5.11 muestra el
panel de consulta. La función de los diferentes componentes que conforman el panel de
consulta es la siguiente:
Figura 5.11: Panel de Consulta.
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Editor de texto: permite al usuario especificar una consulta para el mapa. Si la consulta es
válida, al presionar el botón Ask, la consulta se envía a uno de los esclavos para determinar
su solución.
Librería de rutas: su función es almacenar las rutas generadas por el método PRM. Cada
vez que se encuentra una ruta, ésta es agregada a la librería de rutas en donde se le
identifica con un nombre creado de forma secuencial.
Controles de Animación
Los controles de animación se utilizan para animar al actor digital a lo largo de una
ruta. Estos controles funcionan de forma similar a los controles de cualquier reproductor
multimedia, pues permiten iniciar, pausar, detener, adelantar y regresar la animación del
actor digital.
Generador de Configuraciones
El generador de configuraciones tiene la función de auxiliar al usuario en la
generación de consultas. Como ya se mencionó, al momento de especificar una consulta el
usuario debe indicar dos o más posiciones entre las que habrá de buscarse una ruta para el
actor digital. Las posiciones deben especificarse de forma exacta, y por esta razón, realizar
consulta más o menos extensas en cuanto al número de posiciones puede resultar una tarea
tediosa y un tanto complicada para el usuario. Además, en muchas ocasiones necesitamos
que el actor digital pase por una región determinada del espacio de trabajo, por ejemplo, un
corredor, que se mueva alrededor de un obstáculo, que vaya de un extremo del espacio de
trabajo a otro, etc. En estos casos, la posición inicial y final no es tan importante. Lo
realmente importante es determinar si nuestra implementación del método PRM es capaz de
determinar una ruta le permita al actor digital realizar esos movimientos. En estos casos, el
generador de configuraciones es de gran utilidad.
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El generador de configuraciones es básicamente un mapa donde el usuario puede
seleccionar una serie de posiciones al presionar el botón izquierdo del mouse sobre él. Este
mapa muestra una vista aérea del espacio de trabajo en donde se identifican fácilmente las
regiones ocupadas por los obstáculos. De esta manera, el usuario puede construir consultas
de forma fácil y rápida, ya que con las posiciones seleccionadas en el mapa, se construye
una consulta válida que se muestra en el editor de texto y que puede utilizarse para
interrogar al método PRM sobre la existencia de una ruta. La figura 5.12 muestra el
generador de configuraciones.
Figura 5.12: Generador de configuraciones.
5.4 Creación de un espacio de trabajo
Crear un espacio de trabajo es una tarea muy sencilla, pues únicamente se necesita que el
usuario especifique los archivos que definen al actor digital y los obstáculos, y que ajuste
los parámetros de construcción para el PRM descritos en el capítulo 4. El procedimiento a
seguir se describe a continuación.
El primer paso es seleccionar la opción New Work Space del menú File, o bien
utilizar el atajo definido para esta opción: Ctrl + N. Al seleccionar esta opción aparece en
pantalla el dialogo que se muestra en la figura 5.13.
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Figura 5.13: Dialogo para la creación de un espacio de trabajo.
En este dialogo se muestran los parámetros que serán utilizados para la construcción
del PRM. Estos parámetros deben ajustarse para que el mapa capture la conectividad del
espacio de trabajo y su descripción es la siguiente:
Samples: Número de configuraciones que serán generadas durante la construcción
del mapa. En la figura 5.13, el valor correspondiente a este parámetro indica que se
generarán 2000 configuraciones.
Neighbourhood Radio: Indica la distancia que será utilizada para definir el
vecindario de un nodo. En la figura 5.13, se indica una distancia de 2 metros.
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Step Size: Frecuencia con la que se realizaran pruebas de detección de colisiones al
tratar de agregar una arista. En la figura 5.13, el valor 0.1 indica que la prueba de
detección de colisiones se realizará cada 10 centímetros a lo largo de una arista.
Distance Threshold: Este parámetro indica la separación mínima que debe existir
entre el actor digital y los obstáculos para considerar que una configuración es libre
de colisión. En la figura 5.13 se considera una separación de 1 centimetro.
Después de ajustar estos parámetros debe elegirse una estrategia para la conexión de
los nodos del mapa. La aplicación permite elegir entre las dos opciones descritas en el
capítulo 4: Nearest N y By Component. Si se elige la estrategia Nearest N, el usuario debe
ajustar el número máximo de conexiones por nodo. Posterior a esto, se especifican los
límites del espacio de trabajo que definen el área en la que se generarán las configuraciones
que serán agregadas al mapa. Por último, es necesario que el usuario seleccione los
archivos que definen al actor digital y los obstáculos. Estos archivos se seleccionan
mediante un dialogo como el que se muestra en la figura 5.14.
Figura 5.14: Selección de los archivos que
definen al actor digital y a los obstáculos.
Como se recordará, el actor digital y los obstáculos se definen en archivos bajo el
formato Milkshape 3D. Por esta razón, el dialogo para la selección de archivos utiliza un
filtro que permite mostrar al usuario sólo los archivos de este tipo. Finalmente, el resultado
que obtenemos es similar al que se muestra en la figura 5.15.
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Figura 5.15: Creación de un espacio de trabajo.